PAMELA is a satellite-borne experiment designed to study the charged component of the cosmic radiation of galactic, solar and trapped nature. The main scientific objective is the study of the antimatter component of cosmic rays over a wide range of energies (antiprotons: 80 MeV–190 GeV, positrons: 50 MeV–270 GeV). PAMELA is also searching for antinuclei with a precision ~10^−7 in anti-He/He measurements. PAMELA is mounted on the Resurs DK1 satellite that was launched on June 15th 2006 from the Baikonur cosmodrome and is now on a semipolar (69.9°) elliptical (350 × 600 km) orbit. The experiment has been acquiring data since July 11th 2006 and has a foreseen lifetime of at least 3 years. The PAMELA apparatus consists of a permanent magnet silicon spectrometer, an electromagnetic imaging calorimeter, a time of flight system, a scintillator-based anticoincidence (AC) system, a tail catcher scintillator and a neutron detector. The AC system can be used to reject particles not cleanly entering the PAMELA acceptance. Tests of the PAMELA instrument in its final flight configuration involved long duration acquisition runs with cosmic particles (mainly muons) on ground. A study of the functionality of the AC system during these runs is presented here with a set of selected muons. Studies of activity in the AC detectors as function of the rigidity of the muons and in correlation with the activity in the spectrometer and in the calorimeter are presented. A study of the AC system functionality during in-flight operations provides a map of the particle flux in orbit, and shows the anisotropy in the arrival direction of trapped particles in the Van Allen radiation belts. The singles rates indicate that the AC system saturates in the South Atlantic anomaly (SAA). Information from the AC system in the SAA is therefore not reliable for physics analysis. The timing and multiplicity of AC activity correlated to particle triggers has been studied. A dependence on orbital position was observed. An LED (Light Emitting Diode) based monitoring system was designed to determine the in-orbit behaviour of the AC system independently of the radiation environment and to compare it to the pre-launch behaviour. The LED system shows that the properties of the AC system are stable during flight and that no significant changes in performance occurred as a result of the launch. / QC 20100811

Bien que les propriétés de l'antimatière soit largement testées dans le secteur faible, fort et électromagnétique, la question de la gravitation pour ces objets reste ouverte. En observant la chute libre d'atomes d'anti-hydrogène, l'expérience AEGIS prévoit de mesurer pour lapremière fois l'accéleration gravitationelle pour l'antimatière. Le dispositif prévu pour cette mesure se compose de trois réseaux en transmission et d'un détecteur possèdant une haute résolution spatiale. Le travail de cette thèse se concentre sur la caractérisation d'un tel dispositif avec une source d'ions de basse énergie, permettant de mesurer simultanément les champs électriques et magnétiques environnant. La sensibilité atteinte en font un dispositif compétitif avec les meilleurs appareils disponibles. Une attention particulière est également portée sur l'implémentation de l'expérience avec des réseaux de pas plus fin, afin de mettre en évidence l'interférence quantique des ions. Les effets qui pourraient réduire le contraste des franges d'interférences sont passés en revue et discutés. Enfin, la réalisation d'une ligne de faisceau capable de sélectionner des particules de basse énergie et l'intégration d'un détecteur silicium dédié à la détection d'antiprotons est détaillée dans le but de réaliser pour la première fois l'interférence de particules d'antimatière / Although numerous experiments investigate the properties of antimatter in the weak, strong and electromagnetic sector, the gravitational interaction for these objects remains an open question. By observing the free-fall of antihydrogen atoms, the AEGIS experiment plans toperform the first measurement of the gravitational acceleration on antimatter. The device envisioned for such an experiment consists in a set of three transmission gratings with a pitch of few micrometers, associated with a high resolution imaging detector. This thesis focuses on testing such a device with a low-energy ion beam, enabling one to measure simultaneously the magnitude of surrounding electric and magnetic fields. The sensitivity achieved makes such an apparatus competitive with state-of-the-art fieldmeters. An effort is moreover initiated to perform the same experiment with smaller grating periodicities since it could reveal the quantum interference of the ions. In order to probe the quantum behavior of protons, the effects which might destroy the interference pattern are reviewed and discussed. We finally detail the implementation of a velocity selector and a silicon detector dedicated to low energy antiprotons. These two components are indeed a prerequisite to perform for the first time theinterference of antimatter particles

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L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège. / The Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest experiment - GBAR - is designed to perform a direct measurement of the weak equivalence principle on antimatter by measuring the acceleration (gbar) of antihydrogen atoms in free fall. Its originality is to produce Hbar+ ions and use sympathetic cooling to achieve µK temperature. Hbar+ ions are produced by the reactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, and Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, where pbar is an antiproton, Ps stands for positronium (the bound-state of a positron and an electron), Hbar is the antihydrogen and Hbar+ the antiion associated. To produce enough Ps atoms, 2x10^10 positrons must be impinged on a porous SiO2 target within 100ns. Such an intense flux requires the accumulation (collection and cooling) of the positrons in a particle trap. This thesis describes the injector being commissioned at CEA Saclay for GBAR. It consists of a Penning-Malmberg trap (moved from RIKEN) fed by a slow positron beam. A 4.3MeV linear accelerator shooting electrons on a tungsten target produces the pulsed positron beam, which is moderated by a multi-grid tungsten moderator. The slow positron flux is 10^4 e+/pulse, or 2x10^6 e+/s at 200Hz. This work presents the first ever accumulation of low-energy positrons produced by an accelerator (rather than a radioactive source) and their cooling by a prepared reservoir of 2x10^10 cold electrons.

Ma thèse s’est déroulée dans le cadre de la collaboration AEgIS, une des expériences étudiant l’antimatière au CERN. L’objectif final est de mesurer l’effet de la gravité sur un faisceau froid d’antihydrogène (Hbar). AEgIS se propose de créer les Hbar froids par échange de charges entre un atome de Positronium (Ps) excité (état de Rydberg) et un antiproton piégé : 〖Ps〗^*+ pbar → (H^*)⁻ + e⁻. L’étude de la physique du Ps est cruciale pour AEgIS, et demande des systèmes lasers adaptés. Pendant ma thèse, ma première tâche a été de veiller au bon fonctionnement des systèmes lasers de l’expérience. Afin d’exciter le positronium jusqu’à ses états de Rydberg (≃20) en présence d’un fort champ magnétique (1 T), deux lasers pulsés spectralement larges ont été spécialement conçu. Nous avons réalisé la première excitation par laser du Ps dans son niveau n=3, et prouvé une excitation efficace du nuage de Ps vers les niveaux de Rydberg n=16-17. Ces mesures, réalisées dans la chambre à vide de test d’AEgIS, à température ambiance et pour un faible champ magnétique environnant, sont la première étape vers la formation d’antihydrogène. Le prochain objectif est de répéter ces résultats dans l’enceinte du piège à 1 T, où les antihydrogènes seront formés. Pour autant, malgré l’excitation Rydberg des Ps pour accroître la section efficace de collision, la production d’antihydrogène restera faible, et la température des H bar formés sera trop élevée pour toute mesure de gravité. Pendant ma thèse, j’ai installé au CERN un autre système laser prévu pour pratiquer une spectroscopie précise des niveaux de Rydberg du Ps. Ce système excite des transitions optiques qui pourraient convenir à un refroidissement Doppler : la transition n=1 ↔ n=2. J’ai étudié la possibilité d’un tel refroidissement, en procédant à des simulations poussées pour déterminer les caractéristiques d’un système laser adapté La focalisation du nuage de Ps grâce au refroidissement des vitesses transverses devrait accroitre le recouvrement des positroniums avec les antiprotons piégés, et ainsi augmenter grandement la production d’Hbar. Le contrôle du refroidissement et de la compression du plasma d’antiprotons est aussi essentiel pour la formation des antihydrogènes. Pendant les temps de faisceaux d’antiprotons de 2014 et 2015, j’ai contribué à la caractérisation et l’optimisation des procédures pour attraper et manipuler les antiprotons, afin d’atteindre des plasmas très denses, et ce, de façon reproductible. Enfin, j’ai participé activement à l’élaboration d’autre projet à l’étude AEgIS, qui vise aussi à augmenter la production d’antihydrogène : le projet d’un refroidissement sympathique des antiprotons, en utilisant un plasma d’anions refroidis par laser. J’ai étudié la possibilité de refroidir l’ion moléculaire C₂⁻, et les résultats de simulations sont encourageants. Nous sommes actuellement en train de développer au CERN le système expérimental qui nous permettra de faire les premiers tests de refroidissement sur le C₂⁻. Si couronné de succès, ce projet ne sera pas seulement le premier résultat de refroidissement par laser d’anions, mais ouvrira aussi les portes à une production efficace d’antihydrogènes froids. / My Ph.D project took place within the AEgIS collaboration, one of the antimatter experiments at the CERN. The final goal of the experiment is to perform a gravity test on a cold antihydrogen (Hbar) beam. AEgIS proposes to create such a cold Hbar beam based on a charge exchange reaction between excited Rydberg Positronium (Ps) and cold trapped antiprotons: 〖Ps〗^* + pbar → (H^*)⁻ + e⁻. Studying the Ps physics is crucial for the experiment, and requires adapted lasers systems. During this Ph.D, my primary undertaking was the responsibility for the laser systems in AEgIS. To excite Ps atom up to its Rydberg states (≃20) in presence of a high magnetic field (1 T), two broadband pulsed lasers have been developed. We realized the first laser excitation of the Ps into the n=3 level, and demonstrated an efficient optical path to reach the Rydberg state n=16-17. These results, obtained in the vacuum test chamber and in absence of strong magnetic field, reach a milestone toward the formation of antihydrogen in AEgIS, and the immediate next step for us is to excite Ps atoms inside our 1 T trapping apparatus, where the formation of antihydrogen will take place. However, even once this next step will be successful, the production rate of antihydrogen atoms will nevertheless be very low, and their temperature much higher than could be wished. During my Ph.D, I have installed further excitation lasers, foreseen to perform fine spectroscopy on Ps atoms and that excite optical transitions suitable for a possible Doppler cooling. I have carried out theoretical studies and simulations to determine the proper characteristics required for a cooling laser system. The transverse laser cooling of the Ps beam will enhance the overlap between the trapped antiprotons plasma and the Ps beam during the charge-exchange process, and therefore drastically improve the production rate of antihydrogen. The control of the compression and cooling of the antiproton plasma is also crucial for the antihydrogen formation. During the beam-times of 2014 and 2015, I participated in the characterization and optimization our catching and manipulation procedures to reach highly compressed antiproton plasma, in repeatable conditions. Another project in AEgIS I took part aims to improve the formation rate of ultracold antihydrogen, by studying the possibility of a sympathetically cooling of the antiprotons using a laser-cooled anion plasma. I investigated some laser cooling schemes on the C₂⁻ molecular anions, and the simulations are promising. I actively contribute to the commissioning of the test apparatus at CERN to carry on the trials of laser cooling on the C₂⁻ species. If successful, this result will not only be the first cooling of anions by laser, but will open the way to a highly efficient production of ultracold antihydrogen atoms.

Magnetic plasma expulsion uses a magnetic field distortion to redirect incident charged particles around a certain area for the purposes of shielding. Computational studies are carried out and for certain values of magnetic field, magnetic plasma expulsion is found to effectively shield a sizable area. There are however many plasma behaviors and interactions that must be considered. Applications to a new cryogenic antimatter trap design are discussed.

Le but principal de la collaboration GBAR est de mesurer le comportement d'atomes d'antihydrogène sous l'effet de la gravité terrestre. Ceci est fait en mesurant la chute libre classique d'atomes d'antihydrogène, qui est un test direct du principe d'équivalence faible pour l'antimatière. La première étape de l'expérience est de produire des ions d'antihydrogène et de les amener dans un piège de Paul, où ils peuvent être refroidis à une température de l'ordre du μK en utilisant la technique du refroidissement sympathique avec des ions Be⁺ eux-mêmes mis dans leur état fondamental par la technique Raman à bande latérale. Une température de l'ordre du μK correspond à une vitesse de la particule de l'ordre de 1 m/s. Une fois cette vitesse atteinte, l'ion antihydrogène peut être neutralisé et commence sa chute. Ceci permet une précision de 1 % sur la mesure de l’accélération gravitationnelle g pour l’antimatière avec environ 1500 événements. Cependant, pour mesurer la chute libre, il faut d'abord produire l'ion antihydrogène. Celui-ci est formé dans les réactions d'échange de charge entre des antiprotons et des antihydrogènes avec du positronium. Positronium et atomes d'antihydrogène peut se trouver soit à l’état fondamental, soit dans un état excité. Une étude expérimentale de la mesure de la section efficace de ces deux réactions est décrite dans cette thèse. La production de l'atome d'antihydrogène ainsi que de l'ion se passe à l’intérieur d'une cavité. La formation d'un antihydrogène ion lors d'une interaction entre faisceaux requiert environ 5x10⁶ antiprotons/paquet et quelques 10¹¹ Ps/cm⁻³ de densité de positronium à l’intérieur d'une cavité. Celle-ci est produite par un faisceau contenant 5x10¹⁰ positrons par paquet. La production de faisceaux aussi intenses avec les propriétés requises est en soi un challenge. Le développement de la source de positrons de GBAR est décrite. Celle-ci est basée sur un accélérateur linéaire à électrons de 9 MeV. Le faisceau d’électrons est incident sur une cible de tungstène où les positrons sont créés par rayonnement de freinage (gammas) et création de paires. Une partie des positrons ainsi créés diffusent à nouveau dans un modérateur de tungstène en réduisant leur énergie à environ 3 eV. Ces particules sont re-accélérées à une énergie d'environ 53 eV. Aujourd'hui, le flux mesuré de positrons est au niveau de 6x10⁷ e⁺/s, soit quelques fois. Puis la thèse comporte une courte description des préparatifs pour les faisceaux d'antiprotons ou de protons, terminée par un chapitre sur le taux de production attendu d'atomes et d'ions d'antihydrogène. En aval de la réaction, les faisceaux d'antiprotons, d'atomes et d'ions d'antihydrogène sont guidés vers leur système de détection. Ceux-ci ont été conçus de façon à permettre la détection d'un à plusieurs milliers d'atomes d'antihydrogène, un seul ion antihydrogène et tous les 5x10⁶ antiprotons. Ceci est particulièrement difficile parce que l'annihilation des antiprotons crée beaucoup de particules secondaires qui peuvent perturber la mesure d'un atome ou ion. La majeure partie de la thèse consiste en la description des bruits de fond attendus pour la détection des atomes et ions d'antihydrogène. De plus, le système de détection permet de mesurer les sections efficaces pour les réactions symétriques de production d'atomes et d'ions hydrogèene par échange de charge entre protons et positronium. La partie production d’antihydrogène ions de l’expérience a été complètement installée au CERN en 2018. Les premiers tests avec des antiprotons provenant du décélérateur ELENA ont été effectués. Actuellement, l’expérience est testée avec des positrons et des protons, de façon à former des atomes et ions hydrogène. Une optimisation de la production de ces ions de matière aidera à se préparer pour la prochaine période de faisceau d'antiprotons en 2021. / The main goal of the GBAR collaboration is to measure the Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest. It is done by measuring the classical free fall of neutral antihydrogen, which is a direct test of the weak equivalence principle for antimatter. The first step of the experiment is to produce the antihydrogen ion and catch it in a Paul trap, where it can be cooled to μK temperature using ground state Raman sideband sympathetic cooling. The μK temperature corresponds to particle velocity in the order of 1 m/s. Once such velocity is reached, the antihydrogen ion can be neutralised and starts to fall. This allows reaching 1 % precision on the measurement of the gravitational acceleration g for antimatter with about 1500 events. Later, it would be possible to reach 10⁻⁵ - 10⁻⁶ precision by measuring the gravitational quantum states of cold antihydrogen. However, in order to measure the free fall, firstly the antihydrogen ion has to be produced. It is formed in the charge exchange reactions between antiproton/antihydrogen and positronium. Positronium and antihydrogen atoms can be either in a ground state or in an excited state. An experimental study of the cross section measurement for these two reactions is described in the presented thesis. The antihydrogen atom and ion production takes place in a cavity. The formation of one antihydrogen ion in one beam crossing requires about 5x10⁶ antiprotons/bunch and a few 10¹¹ Ps/cm⁻³ positronium density inside the cavity, which is produced with a beam containing 5x10¹⁰ positrons per bunch. The production of such intense beams with required properties is a challenging task. First, the development of the positron source is described. The GBAR positron source is based on a 9 MeV linear electron accelerator. The relatively low energy was chosen to avoid activation of the environment. The electron beam is incident on a tungsten target where positrons are created from Bremsstrahlung radiation (gammas) through the pair creation process. Some of the created positrons undergo a further diffusion in the tungsten moderator reducing their energy to about 3 eV. The particles are re-accelerated to about 53 eV energy and are adiabatically transported to the next stage of the experiment. Presently, the measured positron flux is at the level of 6x10⁷ e⁺/s, which is a few times higher than intensities reached with radioactive sources. Then, the thesis features a short description of the antiproton/proton beam preparations, finalised with a chapter about the expected antihydrogen atom and ion production yield. After the reaction, antiproton, antihydrogen atom, and ion beams are guided to the detection system. It is made to allow for detection from 1 to a few thousand antihydrogen atoms, a single antihydrogen ion and all 5x10⁶ antiprotons. It is especially challenging because antiproton annihilation creates a lot of secondary particles which may disturb measurements of single antihydrogen atoms and ions. The main part of the Thesis is the description of the expected background for the antihydrogen atom and ion detection. Additionally, the detection system allows measuring the cross sections for the symmetric reactions of a hydrogen atom and ion production through charge exchange between protons and positronium. The antihydrogen ion production part of the experiment was fully installed at CERN in 2018. The first tests with antiprotons from the ELENA decelerator were done. Currently, the experiment is being commissioned with positrons and protons, in order to perform the hydrogen atom and ion formation. The optimisation of the ion production with matter will help to be fully prepared for the next antiproton beam time in 2021.

NIL

Big Bang Nucleosynthesis (BBN), together with the analyses of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies, confirm what our day to day experience of life attests : antimatter is far less present than matter in the Universe. In addition, these observables also permit to evaluate that there exists about one proton for every 10^{10} photons present in the Universe. This is in contradiction with expectations coming from the standard hot big bang, where no distinction between matter and antimatter is made, and where subsequent annihilations would lead to equal matter and antimatter contents, at a level 10^{−10} smaller than the observed one. The Standard Model of fundamental interactions fails to explain this result, leading us to search for ‘Beyond the Standard Model’ physics. Among the possible mechanism which could be responsible for the creation of such a matter asymmetry, leptogenesis is particularly attractive because it only relies on the same ingredients previously introduced to generate neutrino masses. Unfortunatelly, this elegant proposal suffers from a major difficulty : it resists to any tentative of being probed by our low energy observables. In this thesis, we tackle the problem the other way around and propose a way to falsify this mechanism. Considering the type-I leptogenesis mechanism, i.e. a mechanism based on the asymmetric decay of right-handed neutrinos, in a left-right symmetric framework, we show that the observation of a right-handed gauge boson W_R at future colliders would rule out any possibility for such mechanism to be responsible of the matter asymmetry present in our Universe. Another intriguing question that analyses of the anisotropies of the CMB confirmed is the presence of a non-baryonic component of matter in our Universe, i.e. the dark matter. As hinted by observations of galactic rotation curves, it should copiously be present in our galactic halo, but is notoriously difficult to detect directly. We can take advantage on the fact that antimatter almost disappeared from our surroundings to detect the contamination of cosmic rays from standard sources the annihilation products of dark matter would produce. The second subject tackled in this work is the study of the imprints the Inert Doublet Modem (IDM) could leave in (charged) cosmic rays, namely positrons, antprotons and antideuterons. This model, first proposed to allow the Bout-Englert-Higgs particle to evade the Electroweak Precision Test (EWPT) measurements, introduces an additional scalar doublet which is inert in the sense that it does not couple directly to fermions. This latter property brings an additional virtue to this additional doublet : since it interacts weakly with particles, it can play the role of dark matter. This study will be done in the light of the data recently released by the PAMELA, ATIC and Fermi-GLAST collaborations, which reported e^± excesses in two different energy ranges.

A new hypothesis of matter formation after the big bang based on either particle-wave duality or electric dipole asymmetry. Both assumptions allow to postulate that the probability of matter formation is slightly higher than that of antimatter formation. As a consequence, this difference of probabilities ∆Pp for protons and ∆Pe with regard to electrons avoided complete annihilation in the beginning.